液晶消色差偏振旋转器

杨艳灵，张 弛，孙 岩，马红梅，孙玉宝

(河北工业大学 应用物理系，天津 300401)

1 引 言

利用偏振旋转技术来控制光的偏振态在液晶显示、偏振成像、光通信等[1-3]方面有着广泛的应用，设计偏振旋转器最简单的方法就是用半波片来转换线偏振光的方向，然而这种偏振旋转器[4-7]的缺点是只能通过移动偏振器件来实现偏振光状态的转变。而液晶消色差偏振旋转器具有电控制能力、响应时间快、带宽宽、对比度高等优点，可以达到消色差偏振旋转器的基本要求。

目前为止，人们提出了许多关于偏振旋转器的设计方法，文献[8-9]中提出了由一个TN盒和两个单轴补偿膜组成的消色差偏振光开关，带宽较宽，对比度较高，在400～700 nm范围内透过率大于97.8%，但响应时间为35 ms，响应速度不够快；文献[10]提出由两个均匀盒和一个TN盒组成的消色差偏振旋转器，但带宽不够宽，并且只工作于不加电压一种情况；文献[11-12]提出的结构虽然可以达到较好的消色差效果，但在参数设置上比较复杂，变量较多。以上结构中使用的液晶层的相位延迟量都很大，从而在使用普通液晶材料时，液晶层厚度会很厚(通常大于5 μm)，5 μm厚的液晶盒响应时间是20～30 ms，再考虑到扭曲向列相液晶盒在响应过程中存在背流效应(Backflow effect)，所以这些结构的响应速度不够快。针对之前人们提出的偏振旋转器存在的问题，在本文中我们提出了一种由3个低扭曲液晶盒组成的消色差偏振旋转器，在低扭曲液晶盒中不存在背流效应，并且3个液晶盒厚度都为2.5 μm，小于传统盒厚的一半。不加电压时漏光率较低，加电压后透过率可以达到97.9%以上，并对这种结构偏振旋转器的对比度和响应时间进行了模拟计算,在450～650 nm之间具有大于100的对比度，上升时间为0.174 ms,下降时间为6.316 ms，参数设置等相对简单。这种偏振旋转器可以在不移动偏振器件的情况下，通过改变对液晶盒施加的电压来控制液晶指向矢分布从而达到控制偏振光方向的目的。液晶显示的带宽要求是可见光范围内(400～700 nm)，对比度在50以上，本文提出的液晶消色差偏振旋转器对比度能达到100以上，响应时间远低于20 ms，因此符合液晶显示等领域的应用需求。

2 基本原理

三层低扭曲液晶盒组成的偏振旋转器结构，如图1所示，入射偏振光的偏振方向与入射侧的液晶分子取向方向相同，3个液晶盒中相邻的界面处的液晶取向相同，液晶盒中的液晶旋转方向相同。针对该液晶器件设置，使用琼斯矩阵来表示偏振光的偏振状态，Ein是光轴沿X方向的线偏振光，经过3个TN液晶盒之后，出射光的偏振状态用Eout表示：

其中：MLC1，MLC2，MLC3分别表示3个TN液晶盒的琼斯矩阵，φ1，φ2，φ3分别为3个扭曲向列相液晶盒的扭曲角，d、Δn、λ分别为液晶盒厚、液晶材料的双折射率、入射光的波长。

3 模拟计算与分析

模拟计算中，采用的液晶材料的双折射率为Δn=0.108(450 nm),0.1(550 nm)，0.095(650 nm)，介电各向异性为5.3，转动粘滞系数为100 mPa·s，弹性常数分别为10.8，9.5，15.4 pN，液晶层厚度都为2.5 μm。设置3个液晶盒的扭曲角度为变量，总扭曲角度为90°，预倾角为2°，平行偏光片角度为0°，使用TechWiz LCD 1D软件计算了由3个扭曲向列相液晶盒组成的偏振旋转器的透光特性，得到3个液晶盒的扭曲情况分别为：φ1(90°～65°)，φ2(65°～20°)，φ3(20°～0°)时，该设置具有最好的偏振旋转效应。如图1所示，在平行偏光片情况下，左图为不加电压时液晶的排列情况，入射线偏振光经过3个TN液晶盒之后，偏振方向旋转90°，光线不透过。右图是施加电压之后的液晶排列图，液晶分子被驱动到垂直于基板平面排列，此时液晶的延迟量为0，入射偏振光的状态不发生变化，由于偏振片平行放置，所以光线透过。

图1 3-TN盒的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the 3-TNLC cell

图2是透过率随电压的变化曲线，当施加电压后，透过率逐渐增大，电压在大于12 V时接近稳定，因此在计算这种偏振旋转器的消色差性能时,为了达到更好的效果，我们对每个TN液晶盒施加20 V的电压。响应过程如图3所示，上升时间约为0.174 ms,下降时间约为6.316 ms。

图2 TN盒的电光特性Fig.2 Electro-optical characteristic of the TNLC

图3 三个TN盒结构的偏振旋转器的响应过程Fig.3 Response process of 3-TN LC

图4分别为偏振旋转器在驱动状态和未驱动状态下的透过率曲线。施加电压后光线透过，透过率为97.9%～99.2%，如图中红线所示。在不加电压时，透过率在可见光范围内具有很低的漏光率，漏光率低于4.5%，尤其在450～650 nm之间，透过率小于0.01，如图中黑线所示。在450～650 nm范围内，具有大于100的对比度，如图5所示，在485～625 nm范围内，具有800以上的对比度。

图4 3-TNLC结构的透过率(驱动&未驱动)Fig.4 Transmittance of the 3-TNLC (with and without driving)

图5 3-TNLC结构的对比度与波长的关系Fig.5 Contrast ratio vs.wavelength of the 3-TNLC

作为对比，我们计算了一个普通TN液晶盒组成的消色差偏振旋转器在不加电压时的透过率，设置TN液晶盒的厚度为20 μm，预倾角设为2°，液晶材料的折射率与上述相同，使用TechWiz LCD 1D软件模拟计算了它的透过率光谱。图6是3个TNLC偏振旋转器和一个TNLC旋转器透过率的比较，从图中可以看出，一个传统的90°TNLC偏振旋转器在不加电压时的漏光率较高，且透过率波动比较大(图中黑线)，而我们提出的这种结构具有较低的漏光率(图中红线)，在450～650 nm范围内，透过率小于0.01，在可见光范围内，透过率低于4.5%。

图6 3-TN与一个TN液晶盒的透过率比较(未驱动)Fig.6 Transmittance of the 3-TNLC and 1-TNLC(undriving)

接下来计算了液晶盒厚对消色差性能的影响，图7是不加电压时，液晶盒厚为2.2～2.5 μm时的透过率，当液晶盒厚分别为2.2，2.3，2.4，2.5 μm时，透过率分别低于6%，4%，3.5%，4.5%，在480～600 nm之间，透过率都很小，当施加20 V的电压后，液晶分子沿着平行于入射线偏振光的方向排列，此时光线透过，理想的透过率为1，由于液晶盒两侧有ITO薄膜，光经过薄膜表面会发生折射，因此实际透过率低于1。透过率光谱如图8所示，当液晶盒厚分别为2.2，2.3，2.4，2.5 μm时，最低透过率分别为98.2%，98.1%，98%，97.9%，消色差效果较好。通过计算液晶盒厚度对消色差效果的影响，说明盒厚在一定范围内变化时，透过率几乎是不受影响的。

图7 液晶盒厚对透过率的影响(未驱动)Fig.7 Effect of cell thickness on transmittance (undriving)

图8 液晶盒厚对透过率的影响(驱动)Fig.8 Effect of cell thickness on transmittance (driving)

4 结 论

本文对由3个低扭曲液晶盒组成的消色差偏振旋转器的消色差性能以及响应时间进行了模拟计算，不加电压时可见光范围内的透过率低于4.5%，在450～650 nm之间，透过率小于0.01，加电压后的透过率在97.9%以上，在450～650 nm之间具有大于100的对比度，在485～625 nm之间具有800以上的对比度。3个TN盒结构的旋转器与一个TN盒结构的旋转器相比，具有漏光率低和响应速度快的优点。这种消色差性能较好的液晶消色差偏振旋转器在光通信中有着广泛的应用。